[[254702]]

在Java并發(fā)場(chǎng)景中，會(huì)涉及到各種各樣的鎖如公平鎖，樂(lè)觀鎖，悲觀鎖等等，這篇文章介紹各種鎖的分類(lèi)：

• 公平鎖/非公平鎖
• 可重入鎖
• 獨(dú)享鎖/共享鎖
• 樂(lè)觀鎖/悲觀鎖
• 分段鎖
• 自旋鎖

01.樂(lè)觀鎖 vs 悲觀鎖

樂(lè)觀鎖與悲觀鎖是一種廣義上的概念，體現(xiàn)了看待線程同步的不同角度，在Java和數(shù)據(jù)庫(kù)中都有此概念對(duì)應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。

1.樂(lè)觀鎖

顧名思義，就是很樂(lè)觀，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人不會(huì)修改，所以不會(huì)上鎖，但是在更新的時(shí)候會(huì)判斷一下在此期間別人有沒(méi)有去更新這個(gè)數(shù)據(jù)，可以使用版本號(hào)等機(jī)制。

樂(lè)觀鎖適用于多讀的應(yīng)用類(lèi)型，樂(lè)觀鎖在Java中是通過(guò)使用無(wú)鎖編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，最常采用的是CAS算法，Java原子類(lèi)中的遞增操作就通過(guò)CAS自旋實(shí)現(xiàn)的。

CAS全稱(chēng) Compare And Swap(比較與交換)，是一種無(wú)鎖算法。在不使用鎖(沒(méi)有線程被阻塞)的情況下實(shí)現(xiàn)多線程之間的變量同步。java.util.concurrent包中的原子類(lèi)就是通過(guò)CAS來(lái)實(shí)現(xiàn)了樂(lè)觀鎖。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CAS算法有3個(gè)三個(gè)操作數(shù)：

• 需要讀寫(xiě)的內(nèi)存值 V。
• 進(jìn)行比較的值 A。
• 要寫(xiě)入的新值 B。

當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時(shí)，將內(nèi)存值V修改為B，否則返回V。這是一種樂(lè)觀鎖的思路，它相信在它修改之前，沒(méi)有其它線程去修改它;而Synchronized是一種悲觀鎖，它認(rèn)為在它修改之前，一定會(huì)有其它線程去修改它，悲觀鎖效率很低。

2.悲觀鎖

總是假設(shè)最壞的情況，每次去拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為別人會(huì)修改，所以每次在拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)上鎖，這樣別人想拿這個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)阻塞直到它拿到鎖。

傳統(tǒng)的MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)里邊就用到了很多這種鎖機(jī)制，比如行鎖，表鎖等，讀鎖，寫(xiě)鎖等，都是在做操作之前先上鎖。詳情可以參考：阿里P8架構(gòu)師談：MySQL行鎖、表鎖、悲觀鎖、樂(lè)觀鎖的特點(diǎn)與應(yīng)用

再比如上面提到的Java的同步synchronized關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)就是典型的悲觀鎖。

3.總之：

悲觀鎖適合寫(xiě)操作多的場(chǎng)景，先加鎖可以保證寫(xiě)操作時(shí)數(shù)據(jù)正確。

樂(lè)觀鎖適合讀操作多的場(chǎng)景，不加鎖的特點(diǎn)能夠使其讀操作的性能大幅提升。

02.公平鎖 vs 非公平鎖

1.公平鎖

就是很公平，在并發(fā)環(huán)境中，每個(gè)線程在獲取鎖時(shí)會(huì)先查看此鎖維護(hù)的等待隊(duì)列，如果為空，或者當(dāng)前線程是等待隊(duì)列的***個(gè)，就占有鎖，否則就會(huì)加入到等待隊(duì)列中，以后會(huì)按照FIFO的規(guī)則從隊(duì)列中取到自己。

公平鎖的優(yōu)點(diǎn)是等待鎖的線程不會(huì)餓死。缺點(diǎn)是整體吞吐效率相對(duì)非公平鎖要低，等待隊(duì)列中除***個(gè)線程以外的所有線程都會(huì)阻塞，CPU喚醒阻塞線程的開(kāi)銷(xiāo)比非公平鎖大。

2.非公平鎖

上來(lái)就直接嘗試占有鎖，如果嘗試失敗，就再采用類(lèi)似公平鎖那種方式。

非公平鎖的優(yōu)點(diǎn)是可以減少喚起線程的開(kāi)銷(xiāo)，整體的吞吐效率高，因?yàn)榫€程有幾率不阻塞直接獲得鎖，CPU不必喚醒所有線程。缺點(diǎn)是處于等待隊(duì)列中的線程可能會(huì)餓死，或者等很久才會(huì)獲得鎖。

3.典型應(yīng)用:

java jdk并發(fā)包中的ReentrantLock可以指定構(gòu)造函數(shù)的boolean類(lèi)型來(lái)創(chuàng)建公平鎖和非公平鎖(默認(rèn)),比如：公平鎖可以使用new ReentrantLock(true)實(shí)現(xiàn)。

03.獨(dú)享所 vs 共享鎖

1.獨(dú)享鎖

是指該鎖一次只能被一個(gè)線程所持有。

2.共享鎖

是指該鎖可被多個(gè)線程所持有。

3.比較

對(duì)于Java ReentrantLock而言，其是獨(dú)享鎖。但是對(duì)于Lock的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)ReadWriteLock，其讀鎖是共享鎖，其寫(xiě)鎖是獨(dú)享鎖。

讀鎖的共享鎖可保證并發(fā)讀是非常高效的，讀寫(xiě)，寫(xiě)讀 ，寫(xiě)寫(xiě)的過(guò)程是互斥的。

獨(dú)享鎖與共享鎖也是通過(guò)AQS來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)實(shí)現(xiàn)不同的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)享或者共享。

4.AQS

抽象隊(duì)列同步器(AbstractQueuedSynchronizer，簡(jiǎn)稱(chēng)AQS)是用來(lái)構(gòu)建鎖或者其他同步組件的基礎(chǔ)框架，它使用一個(gè)整型的volatile變量(命名為state)來(lái)維護(hù)同步狀態(tài)，通過(guò)內(nèi)置的FIFO隊(duì)列來(lái)完成資源獲取線程的排隊(duì)工作。

concurrent包的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如上圖所示，AQS、非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原子變量類(lèi)等基礎(chǔ)類(lèi)都是基于volatile變量的讀/寫(xiě)和CAS實(shí)現(xiàn)，而像Lock、同步器、阻塞隊(duì)列、Executor和并發(fā)容器等高層類(lèi)又是基于基礎(chǔ)類(lèi)實(shí)現(xiàn)。

04.分段鎖

分段鎖其實(shí)是一種鎖的設(shè)計(jì)，并不是具體的一種鎖，對(duì)于ConcurrentHashMap而言，其并發(fā)的實(shí)現(xiàn)就是通過(guò)分段鎖的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的并發(fā)操作。

我們以ConcurrentHashMap來(lái)說(shuō)一下分段鎖的含義以及設(shè)計(jì)思想，ConcurrentHashMap中的分段鎖稱(chēng)為Segment，它即類(lèi)似于HashMap(JDK7與JDK8中HashMap的實(shí)現(xiàn))的結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部擁有一個(gè)Entry數(shù)組，數(shù)組中的每個(gè)元素又是一個(gè)鏈表;同時(shí)又是一個(gè)ReentrantLock(Segment繼承了ReentrantLock)。

當(dāng)需要put元素的時(shí)候，并不是對(duì)整個(gè)hashmap進(jìn)行加鎖，而是先通過(guò)hashcode來(lái)知道他要放在那一個(gè)分段中，然后對(duì)這個(gè)分段進(jìn)行加鎖，所以當(dāng)多線程put的時(shí)候，只要不是放在一個(gè)分段中，就實(shí)現(xiàn)了真正的并行的插入。

但是，在統(tǒng)計(jì)size的時(shí)候，可就是獲取hashmap全局信息的時(shí)候，就需要獲取所有的分段鎖才能統(tǒng)計(jì)。

分段鎖的設(shè)計(jì)目的是細(xì)化鎖的粒度，當(dāng)操作不需要更新整個(gè)數(shù)組的時(shí)候，就僅僅針對(duì)數(shù)組中的一項(xiàng)進(jìn)行加鎖操作。